DE69118021T2

DE69118021T2 - Improved coupling structures for a phase-coupled laser array

Info

Publication number: DE69118021T2
Application number: DE69118021T
Authority: DE
Inventors: Thomas L Paoli
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1990-06-13
Filing date: 1991-06-13
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2011-06-14
Also published as: US5058121A; DE69118021D1; DE69130074D1; JPH04230087A; DE69130074T2; EP0461892A2; EP0461892B1; EP0461892A3; EP0611016A2; EP0611016B1; EP0611016A3

Description

Die Erfindung betrifft einen phasengesteuerten Halbleiterlaser und insbesondere eine Kopplungsstruktur für den Laser.The invention relates to a phase-controlled semiconductor laser and in particular to a coupling structure for the laser.

Phasengesteuerte Laser enthalten eine Gruppe direkt gekoppelter Wellenleiterverstärker, die phasenstarre Lichtwellen erzeugen. Jeder Wellenleiter weist eine Anschlußöffnung an einer Laserfacette auf, die die in dem Wellenleiterverstärker erzeugten Lichtwellen ausstrahlt. Durch den Einsatz einer Gruppe von Wellenleiterverstärkern wird mehr Energie als durch einen einzelnen Wellenleiter erzeugt, und Kopplung der Wellenleiterverstärker zwingt jeden Wellenleiter, Lichtwellenenergie nur in Moden zu erzeugen, die phasenstarr sind, so daß das entstehende emittierte Licht zu einem hochaufgelösten Strahl fokussiert werden kann.Phased lasers contain a group of directly coupled waveguide amplifiers that produce phase-locked light waves. Each waveguide has a port on a laser facet that radiates the light waves generated in the waveguide amplifier. Using a group of waveguide amplifiers produces more energy than a single waveguide, and coupling the waveguide amplifiers forces each waveguide to produce light wave energy only in modes that are phase-locked, so that the resulting emitted light can be focused into a high-resolution beam.

Ein bekanntes Verfahren besteht darin, y-förmige Wellenleiterverstärker einzusetzen, um phasengleiche Ausgangslichtwellen zu erzeugen. Lichtwellen, die sich in jedem Wellenleiterverstärker in der Anordnung ausbreiten, werden durch die y-förmigen Verzweigungen der Verstärker in angrenzende Wellenleiterverstärker hinein abgelenkt, und phasenverschobene Moden der Lichtwellen werden von den Streifen weggestrahlt und absorbiert (siehe US-A-4,719,634).One known method is to use y-shaped waveguide amplifiers to produce in-phase output light waves. Light waves propagating in each waveguide amplifier in the array are deflected by the y-shaped branches of the amplifiers into adjacent waveguide amplifiers, and out-of-phase modes of the light waves are radiated away from the strips and absorbed (see US-A-4,719,634).

Ein zweites bekanntes Kopplungsverfahren besteht darin, die Wellenleiterverstärker nahe aneinander anzuordnen, so daß ihre abklingenden elektrischen Felder einander überlagern. Jedoch unterstützt dieses Verfahren Anordnungsmoden, bei denen die Moden der einzelnen Wellenleiterverstärker nicht phasengleich sind.A second known coupling technique is to arrange the waveguide amplifiers close to each other so that their evanescent electric fields overlap. However, this technique supports arrangement modes in which the modes of the individual waveguide amplifiers are not in phase.

Der zunehmende Einsatz von Lasern macht verbesserte Kopplungssysteme erforderlich, um stabilen phasengleichen Betrieb bei hoher Energie zu ermöglichen.The increasing use of lasers requires improved coupling systems to enable stable in-phase operation at high energy.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Laseranordnung zu schaffen, die eine verbesserte Kopplungsstruktur enthält, die nur die phasengleiche Mode der Anordnung unterstützt.An object of the present invention is to provide a laser array that includes an improved coupling structure that supports only the in-phase mode of the array.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Halbleiterlaseranordnung gemäß jedem der beigefügten Ansprüche.The present invention provides a semiconductor laser device according to any of the appended claims.

Die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Struktur zur Phasenrastung einer Laseranordnung in der phasengleichen Mode dar. Gemäß der Erfindung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, ist eine Kopplungsstruktur, die aus transparenten, passiven Wellenleitern und y-Kopplern besteht, zwischen Anordnungen paralleler Verstärkungswellenleitern angeordnet. Da die Kopplungsstruktur transparent ist, ist sie nicht in Durchlaßrichtung vorgespannt, und die Ladungsträgerdichte ist sehr niedrig. Dementsprechend werden Phasenverzerrungen aufgrund von Trägern verringert, so daß ein stabiler Ausgang bei hoher Leistung erzielt wird.The present invention provides an improved structure for phase locking a laser array in the in-phase mode. According to the invention as defined in claim 1, a coupling structure consisting of transparent passive waveguides and y-couplers is arranged between arrays of parallel gain waveguides. Since the coupling structure is transparent, it is not forward biased and the carrier density is very low. Accordingly, phase distortions due to carriers are reduced so that a stable output at high power is achieved.

Lediglich als Beispiel werden Ausführungen der Erfindung im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten zeichnungen beschrieben, wobei:By way of example only, embodiments of the invention are described below with reference to the accompanying drawings, in which:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Heterostruktur-Lasers ist;Fig. 1 is a sectional view of a heterostructure laser;

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Teil einer Ausführung der Erfindung ist, bei der ein passiver Kopplungsbereich unter Verwendung y-förmiger Koppler eingesetzt wird.Fig. 2 is a plan view of a portion of an embodiment of the invention employing a passive coupling region using y-shaped couplers.

In Fig. 1 ist eine vergrößerte Ansicht einer Halbleiterstruktur 10 dargestellt, die eine Vielzahl epitaxial angeordneter Schichten 22-28 auf Träger 20 umfaßt. Bei diesem Beispiel ist die Halbleiterstruktur 10 eine Halbleiter-Heterostruktur. Träger 20 kann n-GaAs umfassen, und epitaxiale Schichten 22-28 können nacheinander in einem MO-CVD-Reaktor aufgetragen werden, wie dies in der Technik bekannt ist. Diese epitaxial aufgetragenen Schichten können sich beispielsweise wie folgt zusammensetzen: Mantelschicht 22 aus n-Ga1-yAlyAs, wobei beispielsweise y = 0,40 gilt; aktiver Bereich 24, der eine Schicht aus GaAS oder Ga1-xAlxAs umfaßt, wobei y > x gilt, oder eine einzelne Quantentopfschicht (quantum well layer) aus GaAs oder ein Mehrfach-Quantentopf abwechselnder Schichten aus GaAs oder Ga1-xAlxAs oder abwechselnder Schichten aus Ga1-xAlxAs und Ga1-zAlzAs, wobei y > z > x gilt; Mantelschicht 26 aus p-Ga1-yAlyAs und eine Kappenschicht 28 aus p+-GaAs. Bei dem hier aufgeführten speziellen Beispiel umfaßt der aktive Bereich 24 mehrere Quantentöpfe. Dieser aktive Bereich besteht aus vier 12-nm-Quantentöpfen aus Ga1-xAlxAs, wobei x = 0,05 gilt, die durch 6-nm-Sperrschichten aus Ga1-zAlzAs getrennt sind, wobei z = 0,20 gilt. Daher weist der aktive Bereich eine Dicke Lz von ungefähr 66 nm auf.In Fig. 1, an enlarged view of a semiconductor structure 10 is shown which comprises a plurality of epitaxially arranged layers 22-28 on carrier 20. In this example, the semiconductor structure 10 is a semiconductor heterostructure. Carrier 20 may comprise n-GaAs, and epitaxial layers 22-28 may be deposited one after the other in an MO-CVD reactor, as is known in the art. These epitaxially deposited layers may be composed, for example, of n-Ga1-yAlyAs cladding layer 22, where y = 0.40, for example; active region 24 comprising a layer of GaAs or Ga1-xAlxAs, where y > x, or a single quantum well layer of GaAs, or a multiple quantum well of alternating layers of GaAs or Ga1-xAlxAs, or alternating layers of Ga1-xAlxAs and Ga1-zAlzAs, where y > z >x; p-Ga1-yAlyAs cladding layer 26, and a p+-GaAs cap layer 28. In the specific example given here, active region 24 comprises multiple quantum wells. This active region consists of four 12 nm quantum wells of Ga1-xAlxAs, where x = 0.05, separated by 6 nm barrier layers of Ga1-zAlzAs, where z = 0.20. Therefore, the active region has a thickness Lz of approximately 66 nm.

Eine Elektrodenanordnung 12, 14 kann vorhanden sein, so daß eine elektrische Vorspannung an die Struktur 10 angelegt werden kann.An electrode arrangement 12, 14 may be present so that an electrical bias voltage can be applied to the structure 10.

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die aktive Schicht 24 einer bevorzugten Ausführung der Erfindung. Die Halbleiterstruktur 10 ist in einen ersten, einen zweiten und einen dritten Teil I, II und III unterteilt, die durch eine erste und eine zweite Grenzfläche 30 und 32 voneinander getrennt sind. Ein Paar indexgeführter Verstärkungswellenleiter 34 ist an einer horizontalen Achse ausgerichtet und in dem aktiven Bereich des ersten und des dritten Teils I und III angeordnet. Der erste und der dritte Teil sind elektrisch in Durchlaßrichtung gespannt, so daß Lichtwellen unter Laserbedingungen erzeugt und in den Verstärkungswellenleitern 34 verstärkt werden.Fig. 2 is a top view of the active layer 24 of a preferred embodiment of the invention. The semiconductor structure 10 is divided into first, second and third portions I, II and III separated by first and second interfaces 30 and 32. A pair of index-guided gain waveguides 34 are aligned on a horizontal axis and disposed in the active region of the first and third portions I and III. The first and third portions are electrically biased in the forward direction so that light waves are generated under lasing conditions and amplified in the gain waveguides 34.

Eine Gruppe verlustarmer, indexgeführter, passiver Wellenleiter 36 und y-Koppler 38 sind in der aktiven Schicht 42 des zweiten Abschnitts II angeordnet und bilden eine Kopplungsstruktur 40. Eine erste Gruppe passiver Wellenleiter 36 ist koaxial zu den Verstärkungswellenleitern 34 im ersten Teil I ausgerichtet und an der ersten Grenzfläche 30 daran gekoppelt, und eine zweite Gruppe ist koaxial zu den Verstärkungswellenleitern 34 im dritten Bereich III ausgerichtet und an der zweiten Grenzfläche 32 daran gekoppelt. Jeder y-Koppler 38 koppelt ein aneinandergrenzendes Paar passiver Wellenleiter 36 in der zweiten Gruppe an einen der passiven Wellenleiter 36 in der ersten Gruppe. Damit ist aufgrund der Geometrie der Anordnung auf einer Seite des Kopplers ein passiver Wellenleiter mehr vorhanden als auf der anderen Seite.A group of low-loss, index-guided, passive waveguides 36 and y-couplers 38 are arranged in the active layer 42 of the second section II and form a coupling structure 40. A first group of passive waveguides 36 is coaxially aligned with the gain waveguides 34 in the first part I and coupled thereto at the first interface 30, and a second group is coaxially aligned with the gain waveguides 34 in the third region III and coupled thereto at the second interface 32. Each y-coupler 38 couples an adjacent pair of passive waveguides 36 in the second group to one of the passive waveguides 36 in the first group. Thus, due to the geometry of the arrangement, there is one more passive waveguide on one side of the coupler than on the other side.

Eine Gruppe Kurven 50, 52 ist auf die in Fig. 2 dargestellte Struktur aufgelegt, um die Stärke der elektrischen Felder der Lichtwellen darzustellen, die in den Verstärkungswellenleitern 34 geleitet werden. Diese Kurven sind stark vereinfacht, dienen jedoch dazu, die Funktion der Kopplungsstruktur 40 zu beschreiben. Jede Kurve 50, 52 stellt die Stärke des elektrischen Feldes auf einer horizontalen y-Achse als eine Funktion der seitlichen Position (x-Achse) des Verstärkungswellenleiters 34 dar. Die Kurven stellen die verschiedenen möglichen Anordnungsmoden dar und veranschaulichen nicht die eigentliche Funktion des Systems.A set of curves 50, 52 is superimposed on the structure shown in Fig. 2 to represent the strength of the electric fields of the light waves guided in the gain waveguides 34. These curves are greatly simplified, but serve to describe the function of the coupling structure 40. Each curve 50, 52 represents the strength of the electric field on a horizontal y-axis as a function of the lateral position (x-axis) of the gain waveguide 34. The curves represent the various possible arrangement modes and do not illustrate the actual function of the system.

In Bereich III ist die phasenverschobene Anordnungsmode 52 dargestellt. Die elektrischen Felder in benachbarten Wellenleitern zeigen in verschiedene Richtungen. In Bereich I ist die phasengleiche Anordnungsmode 50 dargestellt, in der alle elektrischen Felder in die gleiche Richtung zeigen. Im allgemeinen gibt es wenigstens so viele Anordnungsmoden wie Wellenleiter in der Anordnung, und alle Moden bis auf die phasengleiche Mode sollten unterdrückt werden, um einen hochaufgelösten Ausgangsstrahl zu erzeugen.Region III shows the out-of-phase array mode 52. The electric fields in adjacent waveguides point in different directions. Region I shows the in-phase array mode 50, in which all electric fields point in the same direction. In general, there are at least as many array modes as there are waveguides in the array, and all modes except the in-phase mode should be suppressed to produce a high-resolution output beam.

Die y-Koppler bewirken, daß phasenverschobene Moden von den y-Kopplern weggestrahlt werden, und bewirken, daß die in den Verstärkungswellenleitern 34 erzeugten Lichtwellen in der phasengleichen Anordnungsmode phasengerastet werden.The y-couplers cause out-of-phase modes to be radiated away from the y-couplers and cause the light waves generated in the gain waveguides 34 to be phase-locked in the in-phase array mode.

Ein Verfahren zur Herstellung der indexgeführten Verstärkungswellenleiter 34 und der verlustarmen, indexgeführten, passiven Wellenleiter und y-Koppler 38 und 36 ist vollständig im US-Patent Nr. 4,802,182 von Thornton et al. offenbart.A method of fabricating the index-guided gain waveguides 34 and the low-loss index-guided passive waveguides and y-couplers 38 and 36 is fully disclosed in U.S. Patent No. 4,802,182 to Thornton et al.

Die indexgeführten Verstärkungswellenleiter, die passiven Wellenleiter und die y-Koppler 34, 36 und 38 in der aktiven Schicht 24 weisen einen größeren Brechungsindex auf als die benachbarten Bereiche der aktiven Schicht 24 und der Mantelschichten 22 und 26. Damit ist das in den Verstärkungswellenleitern und den verlustarmen Wellenleitern 30 und 32 erzeugte Licht durch das bekannte Phänomen der totalen inneren Reflexion beschränkt.The index-guided gain waveguides, passive waveguides and y-couplers 34, 36 and 38 in the active layer 24 have a larger refractive index than the adjacent regions of the active layer 24 and the cladding layers 22 and 26. Thus, the light generated in the gain waveguides and the low-loss waveguides 30 and 32 is limited by the well-known phenomenon of total internal reflection.

Die passiven Wellenleiter 36 und die y-Koppler 38 sind, wie in dem obenerwähnten Patent von Thornton et al beschrieben, integral in dem aktiven Medium ausgebildet und weisen einen Energiebandabstand auf, der größer ist als die Energie der verstärkten Lichtwellen, so daß die Kopplungsstruktur nahezu transparent für die verstärkten Wellenleiter ist und nicht in Durchlaßrichtung vorgespannt sein muß, um die Lichtwellen durchzulassen. Diese transparenten Wellenleiter 36 können schmaler sein als die Verstärkungswellenleiter 34. Wenn die transparenten Wellenleiter 36 ausreichend schmal sind, erfüllen sie die zusätzliche Funktion, daß sie Moden höherer Ordnung austreten lassen, und erhöhen somit die Stabilität des Lasers.The passive waveguides 36 and y-couplers 38 are integrally formed in the active medium as described in the above-mentioned Thornton et al patent and have an energy band gap greater than the energy of the amplified light waves so that the coupling structure is nearly transparent to the amplified waveguides and does not need to be forward biased to pass the light waves. These transparent waveguides 36 can be narrower than the gain waveguides 34. If the transparent waveguides 36 are sufficiently narrow, they perform the additional function of allowing higher order modes to escape, thus increasing the stability of the laser.

Die Kopplungsstruktur 40 ist nicht in Durchlaßrichtung vorgespannt und wirkt somit als passives Element. Dementsprechend ist die Ladungsträgerdichte in den y-förmigen Kopplern 38 sehr niedrig, so daß Phasenverzerrungen, die durch geladene Träger induziert werden, eliminiert werden und phasenstarre Funktion bei hoher Energie stabilisiert wird. Des weiteren sind die Bereiche der Kopplungsstruktur 40, in denen die schmalen, passiven Wellenleiter 36 koaxial zu einem Verstärkungswellenleiter 34 sind, wirksamer hinsichtlich der Ausstrahlung der phasenverschobenen Anordnungsmode.The coupling structure 40 is not forward biased and thus acts as a passive element. Accordingly, the charge carrier density in the y-shaped couplers 38 is very low, so that phase distortions induced by charged carriers are eliminated and phase-locked operation is stabilized at high energy. Furthermore, the regions of the coupling structure 40 in which the narrow, passive waveguides 36 are coaxial with a gain waveguide 34 are more effective in radiating the phase-shifted arrangement mode.

Claims

1. A semiconductor laser device comprising:

a monolithic semiconductor structure (10) divided into a first, a second and a third part (I, II, III), the first and the second part being separated by a first interface (30) and the second and the third part being separated by a second interface (32), and each of the parts having at least one active layer (24) for amplifying and propagating light waves under laser conditions;

means for forward-biasing only the first and third portions;

a first plurality of gain waveguides (34) arranged in the first portion, for propagating only an in-phase array mode and terminating at the first interface;

a second plurality of gain waveguides (34) arranged in the third part, serving to propagate only an in-phase arrangement mode and terminating at the second interface; and

a plurality of parallel, low-loss, passive waveguides (36) arranged only in the second part and coaxially aligned and coextensively coupled to the gain waveguides at the first and second interfaces in the form of a y-coupled waveguide arrangement (36, 38).

2. A laser assembly according to claim 1, wherein at least the first, second or third part is manufactured using a layer disordering process.

3. A laser assembly according to claim 1 or claim 2, wherein at least the first, second or third part is manufactured using impurity-induced layer disorder.